SWAT模型土壤物理屬性數據庫構建方法探究

劉 欽，王雯濤

（1.蘭州大學 資源環境學院，蘭州 730000；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

SWAT模型土壤物理屬性數據庫構建方法探究

劉 欽1，王雯濤2

（1.蘭州大學 資源環境學院，蘭州 730000；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

SWAT模型應用廣泛，具有綜合、分布、基于物理機制且易與GIS集成的特征，能夠準確模擬流域水文狀況。SWAT模型已經在我國被廣泛應用，但在應用過程中存在模型自帶土壤屬性數據庫與中國實際情況不相符的問題。對此，以土壤物理屬性數據庫的構建為例，在較為系統地論述國內外相關研究進展的基礎上，探究了土壤質地轉換、基于SPAW軟件的土壤屬性數據庫物理屬性參數的確定方法，為建立符合國情的土壤屬性數據庫提供方法，并為后期SWAT模型的應用奠定了基礎。

SWAT模型；土壤屬性數據庫；SPAW軟件

1 引言

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是20世紀90年代美國農業部農業研究中心 （USDAARS）開發的半分布式模型，主要用于水文循環的模擬預測、土地利用管理措施的評價、非點源污染的模擬及土壤侵蝕的預測等方面［1］。國外應用SWAT模型比較廣泛，而國內SWAT模型的應用時間相對較短，在水量、非點源污染、泥沙含量的模擬等領域應用廣泛。例如，楊桂蓮等［2］應用SWAT模型對洛河流域進行基流模擬，結果表明月基流的模擬精度較高；劉昌明等［3］以黃河源區為研究區域，采用SWAT模型對不同土地覆被和氣候條件下的水文情景進行模擬，結果表明SWAT模型可適用于大尺度流域的模擬。

在SWAT模型中，土壤的屬性參數直接影響著徑流模擬的準確性，由于模型自帶的土壤數據庫是以北美的土壤為基礎建立的，與中國土壤的實際情況有很大出入。建立符合實際情況的土壤數據庫對于模擬的準確性尤為重要。本研究主要探究建立土壤屬性數據庫的方法，為解決模型自帶土壤屬性數據庫與中國實際情況不相符的問題提供參考。

2 土壤屬性數據庫參數

SWAT模型中土壤屬性參數包括物理屬性參數和化學屬性參數，其中物理屬性參數數據庫對徑流模擬有著重要影響，數據庫中必需的部分物理屬性參數及含義如表1。

表1 部分土壤物理屬性參數

2.1 土壤質地轉換

我國進行了兩次土壤普查，第1次采用了蘇聯制（卡欽斯基制），第2次大多采用了國際制，因此，我國的土壤資料存在多種不同的體系。而SWAT模型采用的土壤粒徑級配標準是USDA簡化的美制標準，我國兩次土壤普查的資料都不符合模型輸入的要求。土壤其他的屬性參數，如土壤濕容重、飽和導水率、有效持水量等，都可以從土壤粒徑資料中計算得出，因此，建立土壤屬性數據庫前將國際制標準土壤粒徑轉換為模型所要求的美制標準是一個必要的步驟。兩種標準的具體粒徑分布如表2。

表2 美制和國際制土壤粒徑對比

土壤質地轉化方法上，我國學者嘗試使用數學模型來進行土壤質地的轉換，如呂喜璽和沈榮明［4］提出了二次樣條插值方法，并用江西寧岡的土壤進行了實例研究；蔡永明等［5］以山西安塞為例，進行了線性插值、二次樣條插值和三次樣條插值的對比，結果表明三次樣條插值的結果相對誤差最小，并以山西恒山灰褐土為例，通過三次樣條插值法插值，進行插值與實測值土壤顆粒累計百分含量對比，對比結果如表3。

表3 插值與實測值對比 單位：%

2.2 土壤屬性參數計算

通過現有的土種志等土壤資料可以查得SOL_Z、SOL_MAX、CLAY、SILT、SAND、ROCK，SOL_Z和SOL_MAX的數據，可以直接應用，土壤粒徑的數據經過土壤質地轉化后也可以直接應用；通過現有土壤資料可以查得有機質的含量，有機質含量乘以0.58可以得到SOL_CBN［6］。 SOL_BD、SOL_K、SOL_AWC可以通過美國農業部開發的SPAW軟件的Soil Water Characteristics模塊計算獲得。 Saxton和Rawls［7］對Soil Water Characteristics模塊進行了詳細的驗證分析，肯定了該模塊用來模擬土壤屬性參數的實用性。

軟件輸入Sand（砂土）、Clay（黏粒）、Gravel（礫石）、Organic Matter（有機質含量）、Salinity（鹽度）數據，可得出Wilting Point（凋萎系數）、Field Capacity（田間持水量）、Saturation （飽和度）、Available Water（可利用水量）、Sat.HydraulicCond.（飽和導水率）、Matric Bulk Density（濕容重）。SOL_AWC計算公式為 ：SOL_AWC=（Field Capacity-Wilting Point）/100。由于軟件計算出的飽和導水率和濕容重的單位不符合SWAT模型的要求（如表4），故須進行單位換算，單位換算公式為：

表4 SWAT模型與SPAW軟件比較

HYDGRP（水文分組）是美國國家自然保護局（NRCS）根據土壤的滲透屬性對土壤進行分類。HYDGRP根據土壤表層0.5m處的飽和導水率大小分為A、B、C、D組。 依據賀維［8］與陳臘嬌［9］的研究結果，修改后的水文分組標準如表5，分組標準中的飽和導水率使用SPAW軟件的計算值。

表5 水文分組標準

續表5

SOL_ALB的大范圍實測資料較為缺乏，其精確值的獲取比較困難，可以根據不同的研究區土壤屬性，參考該地區的以往研究，總結出一個經驗公式或直接采用模型對該類型土壤的默認值，具體方法根據實際情況而定。如鄒悅［10］在疏勒河的研究中根據實際情況采用了默認值；胡雅杰［11］在研究中采用了SOL_ALB與SOL_CBN的經驗關系式。

USLE_K為USLE方程中土壤可蝕性K值，其值的大小，直接反應土壤抗侵蝕能力［11］。K值的大小直接影響著模型模擬泥沙含量的精度，因此，如何確定K值是建立土壤數據庫的重要問題。通常情況下，K值的準確確定可通過對土壤的試驗獲得。但由于直接測定K值的要求較高，在研究中一般利用土壤屬性與侵蝕能力之間的關系對K值進行推算。Wischmeier提出的諾漠圖法應用最為廣泛，但諾漠圖的構建需要土壤結構系數資料和滲透級別實測數據［4］，故該法在資料缺乏的中國難以適用。劉寶元等［12］通過對不同的K值確定方法進行對比，指出Williams和Sharply［13］在1995年提出的計算K值方法較好，該方法使用的數據為土壤有機碳和顆粒組成數據，這些數據在中國的土壤普查資料可以查到，因此在中國該方法最為適用。 公式如下［10，11，14］：

式中 fcsand為砂土土壤侵蝕因子；fcl-si為黏土土壤侵蝕因子；forgc為土壤有機質因子；fhisand為高砂質土壤侵蝕因子；sd為砂土含量百分數；si為粉砂含量百分數；cl為黏土含量百分數；c為有機碳含量百分數。

根據以上方法，可確定表1中所示的參數，并按照數據庫需要的格式輸入至usersoil表中，從而構建完成SWAT模型的物理屬性參數數據庫。

3 結語

模型參數的確定是模型得以運行應用的前提。本文通過收集資料，在國內外研究的基礎上，詳細地闡述了SWAT模型土壤數據庫的建立方法，經過土壤質地轉化、SPAW軟件估算部分參數等步驟建立土壤屬性數據庫，確定了各參數的數值及其閾值范圍，把建立好的數據庫參數按照SWAT需要的格式輸入模型中，為進一步使用SWAT模型進行模擬分析奠定了很好的基礎。

［1］賴格英，吳敦銀，鐘業喜，等.SWAT模型的開發與應用進展［J］.河海大學學報：自然科學版，2012，40（3）：243-251.

［2］楊桂蓮，郝芳華，劉昌明，等.基于 SW AT模型的基流估算及評價［J］.地理科學進展， 2003， 22（5）.

［3］劉昌明，李道峰，田英，等.基于 DEM 的分布式水文模型在大尺度流域應用研究［J］.地理科學進展，2003，22（5）：437-445.

［4］呂喜璽，沈榮明.土壤可蝕性因子 K值的初步研究［J］.水土保持學報， 1992， 6（1）：63-70.

［5］蔡永明，張科利，李雙才.不同粒徑制間土壤質地資料的轉換問題研究［J］.土壤學報， 2003（4）.

［6］王紹強，劉紀遠，于貴瑞.中國陸地土壤有機碳蓄積量估算誤差分析［J］.應用生態學報， 2003， 14（5）： 797-802.

［7］Saxton K E， Rawls W J.Soil water characteristic estimates by texture and organic matter for hydrologic solutions［J］.Soil Science Society of America Journal， 2006， 70 （5）：1569-1578.

［8］賀維.SWAT模型在晉西黃土區小流域中的應用研究 ［D］.北京：北京林業大學，2007.

［9］陳臘嬌.基于SWAT模型的土地利用/覆被變化產流產沙效應模擬［D］.金華：浙江師范大學，2007.

［10］鄒悅.基于 SWAT模型的疏勒河中游徑流模擬研究［D］.蘭州：西北師范大學，2012.

［11］胡雅杰.基于 SWAT模型的環江流域徑流模擬研究［D］.蘭州：蘭州大學，2012.

［12］劉寶元，張科利，焦菊英.土壤可蝕性及其在侵蝕預報中的應用［J］.自然資源學報， 1999， 14（4）： 345-350.

［13］Williams J R.Sharply A N.EPIC-Erosion Productivity Impact CacalatorⅠ.Model Documentation ［J］.US Department of Agriculture Technical Bulletin， 1768 （1990）.

［14］何旭強.基于 SWAT模型的黑河上游徑流模擬及其對氣候變化的響應［D］.蘭州：西北師范大學，2013.

Construction method of SWAT model soil physical property database

LIU Qin1，WANG Wen-tao2
（1.College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China； 2.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower， Tianjin 300250， China）

SWAT model is widely used.It is a comprehensive， distributed， and physical mechanism-based model integrated with GIS.SWAT model can be used to simulate the hydrological situation of watershed accurately and has already been applied to various regions in China.However，the original soil property database of the SWAT model is not consistent with the real situation of China.This study aims to construct the soil property database suitable to China.The transformation of soil texture was analyzed.The construction methods of physical property parameters for soil property database were performed based on the SPAW software.The results demonstrate that the method used in this study can offer proper tool to establish soil property database for China，as well as to further employ the SWAT model.

SWAT model； soil database； SPAW software

S152

B

1672-9900（2015）06-0040-03

2015-10-9

劉 欽（1988-），男（漢族），河北任丘人，碩士，主要從事水文水資源方向研究，（Tel）18394188290。